CN116875922A - 一种提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，上述方法包括将镍基高温合金铸锭进行均匀化处理，热开坯处理，退火处理，成品加工，循环低温处理，氧化处理，再次循环低温处理。本发明的处理方法装置简单，过程工艺简单，成本低，适合各种尺寸、形状的镍基高温合金产品，通过本发明方法进行处理可以显著提高镍基高温合金的硬度和生成耐磨性能优异的尖晶石氧化物，有效的提高镍基高温合金产品的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法。
背景技术
镍基高温合金是一种很有前景的高温应用材料，由于其具有较高的高温强度，良好的抗腐蚀性，以及优异的疲劳、断裂韧性、塑性等综合性能，被广泛用于制造航天航空、海洋、交通运输发动机的零部件。然而，镍基高温合金在上述领域服役时不可避免的会出现摩擦磨损问题，这极大的降低了工件的性能和安全可靠性。此外，这些关键零部件在服役过程中还会受到高温、高速、高载荷、腐蚀等复杂外界因素的考验，因此对提高镍基高温合金的耐磨性能增加了困难。如何通过强化技术来提高镍基高温合金的摩擦磨损性能被广大研究者所关注，当然，这也是促进镍基高温合金发展的必由之路。
目前现有关于提高镍基高温合金耐磨性能的技术和方法层出不穷，比如宽温域低摩擦涂层、表面渗氮/碳、表面塑性变形强化等强化技术，虽然这些技术和方法在一定的服役环境中对镍基高温合金耐磨性能起到了强化，但是都存在强化层不稳定、结合性弱等问题，更重要的是这些强化工艺过程复杂，要消耗大量的人力和物力，最终大大提高制造成本。另一方面，当上述强化技术应用于镍基高温合金复杂结构产品时，比如弯管、封闭腔零件，现有技术不能对其表面进行均匀处理。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，以解决现有技术中的强化层不稳定，强化工艺复杂，成本高，难以强化复杂结构部件的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，包括以下步骤：
(1)循环低温处理：将镍基高温合金产品进行低温处理，处理结束后恢复到室温状态处理，然后再次进行低温处理，其中低温处理温度为60-120℃，处理时间为20-60h；
(2)氧化处理：将步骤(1)循环低温处理后的镍基高温合金产品进行氧化处理，其中氧化处理温度均为500-700℃，处理时间均为2.5-3.5h；
(3)再次循环低温处理：将步骤(2)氧化处理后的镍基高温合金产品再次进行循环低温处理，处理条件同步骤(1)。
优选地，步骤(1)中低温处理温度均为120℃，处理时间均为48h。
优选地，步骤(3)中氧化处理温度为700℃，处理时间为3h。
进一步地，上述镍基高温合金产品的制备方法包括以下步骤：
(a)真空冶炼镍基高温合金铸锭；
(b)将步骤(a)冶炼好的镍基高温合金铸锭进行均匀化处理，消除低熔点相和有害相；
(c)将步骤(b)均匀化处理后的镍基高温合金铸锭进行热开坯处理，得到胚料；
(d)将步骤(c)得到的胚料进行真空退火处理；
(e)将步骤(d)真空退火处理后的胚料进行产品加工，得到镍基高温合金产品。
进一步地，上述镍基高温合金铸锭的气体含量：氧气≤80ppm，氮气≤80ppm，夹杂物＜2级。
进一步地，步骤(b)中均匀化处理具体步骤包括：将镍基高温合金铸锭先在1100-1200℃保温处理8-12h，再在1200-1300℃保温处理40-50h。
优选地，将镍基高温合金铸锭先在1140℃保温处理10h，再在1210℃保温处理48h。
进一步地，步骤(c)中热开坯处理温度为1000-1300℃。
进一步地，步骤(d)中真空退火处理方式具体包括：先加热至800-1000℃，再在真空下保温2-5h，最后冷却至室温。
进一步地，步骤(1)和步骤(2)循环低温处理中低温处理次数均不少于2次。
采用上述处理方法制得的镍基高温合金成品。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过循环低温处理起到细化晶粒和增加晶界密度的作用，从而提高镍基高温合金的硬度和增加尖晶石氧化的通道；在随后的高温氧化过程中高密度的晶界促进了氧化反应的进行，产生了更多尖晶石氧化物；为避免高温氧化过程中晶粒的长大，再次将高温氧化后的镍基高温合金产品进行循环低温处理，从而再次进行晶粒细化，可以显著提高镍基高温合金的硬度和生成耐磨性能优异的尖晶石氧化物，有效的提高镍基高温合金产品的耐磨性能。
(2)本发明的处理方法装置简单，过程工艺简单，成本低，适合各种尺寸、形状的镍基高温合金产品。
附图说明
图1为试验例1的蔡司光学显微镜照片，其中(a)为挤压管材，(b)为经过一次低温处理的管材，(c)为经过两次低温处理的管材；
图2为试验例2的扫描电子显微镜照片，其中(a)为未低温处理的管材，(b)为经过低温处理两次的管材；
图3为试验例2的拉曼峰图；
图4为试验例3磨损试验后样品的表面形貌照片，其中(a)为未处理的管材，(b)为最终处理完成的管材。
具体实施方式
以下所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种提高镍基高温合金耐磨性能的高低温处理方法，包括以下步骤：
(1)以真空冶炼的合格的Inconel625镍基高温合金铸锭作为处理材料；
(2)将Inconel625镍基高温合金先在1140℃保温10h，再在1210℃保温48h，进行均匀化处理，消除显微偏析和有害相；
(3)将步骤(2)均匀化处理后的Inconel625镍基高温合金在1180℃进行锻造开坯，细化均匀组织，得到胚料；
(4)将步骤(3)得到的坯料采用机加工方式加工出热挤压坯料；
(5)在挤压温度为1150℃，挤压速度为45mm/s，挤压比为8的条件下对步骤(4)得到的热挤压胚料进行热挤压，获得挤压管材；
(6)将步骤(5)得到的挤压管材在1050℃下保温1h进行固溶处理，然后酸洗去除表面润滑剂，并进行矫直处理，得到矫直管材；
(7)将步骤(6)得到的矫直管材进行冷轧和热处理加工，制得镍基高温合金管材产品；
(8)将步骤(7)得到的镍基高温合金管材产品放置在低温环境箱中进行低温处理，处理温度120℃，处理时间48h；
(9)将步骤(8)低温处理后的镍基高温合金管材产品管材在室温中恢复到室温状态，然后再放置在低温环境箱中进行低温处理，处理温度120℃，处理时间48h，完成一次循环低温处理；
(10)将步骤(9)循环低温处理后的镍基高温合金管材产品进行氧化处理，处理温度700℃，处理时间3h。
(11)重复进行1次步骤(8)和步骤(9)，对步骤(10)氧化处理后的镍基高温合金管材产品进行循环低温处理，得到最终处理完成的镍基高温合金管材产品。
实施例2：
一种提高镍基高温合金耐磨性能的高低温处理方法，包括以下步骤：
(1)以真空冶炼的合格的Inconel625镍基高温合金铸锭作为处理材料；
(2)将Inconel625镍基高温合金先在1100℃保温10h，再在1250℃保温40h，进行均匀化处理，消除显微偏析和有害相；
(3)将步骤(2)均匀化处理后的Inconel625镍基高温合金在1100℃进行锻造开坯，细化均匀组织，得到胚料；
(4)将步骤(3)得到的坯料采用机加工方式加工出热挤压坯料；
(5)在挤压温度为1150℃，挤压速度为45mm/s，挤压比为8的条件下对步骤(4)得到的热挤压胚料进行热挤压，获得挤压管材；
(6)将步骤(5)得到的挤压管材在1050℃下保温1h进行固溶处理，然后酸洗去除表面润滑剂，并进行矫直处理，得到矫直管材；
(7)将步骤(6)得到的矫直管材进行冷轧和热处理加工，制得镍基高温合金管材产品；
(8)将步骤(7)得到的镍基高温合金管材产品放置在低温环境箱中进行低温处理，处理温度100℃，处理时间55h；
(9)将步骤(8)低温处理后的镍基高温合金管材产品管材在室温中恢复到室温状态，然后再放置在低温环境箱中进行低温处理，处理温度100℃，处理时间55h，完成一次循环低温处理；
(10)将步骤(9)循环低温处理后的镍基高温合金管材产品进行氧化处理，处理温度500℃，处理时间3.5h。
(11)重复进行1次步骤(8)和步骤(9)，对步骤(10)氧化处理后的镍基高温合金管材产品进行循环低温处理，得到最终处理完成的镍基高温合金管材产品。
实施例3：
一种提高镍基高温合金耐磨性能的高低温处理方法，包括以下步骤：
(1)以真空冶炼的合格的Inconel625镍基高温合金铸锭作为处理材料；
(2)将Inconel625镍基高温合金先在1200℃保温8h，再在1300℃保温50h，进行均匀化处理，消除显微偏析和有害相；
(3)将步骤(2)均匀化处理后的Inconel625镍基高温合金在1300℃进行锻造开坯，细化均匀组织，得到胚料；
(4)将步骤(3)得到的坯料采用机加工方式加工出热挤压坯料；
(5)在挤压温度为1150℃，挤压速度为45mm/s，挤压比为8的条件下对步骤(4)得到的热挤压胚料进行热挤压，获得挤压管材；
(6)将步骤(5)得到的挤压管材在1050℃下保温1h进行固溶处理，然后酸洗去除表面润滑剂，并进行矫直处理，得到矫直管材；
(7)将步骤(6)得到的矫直管材进行冷轧和热处理加工，制得镍基高温合金管材产品；
(8)将步骤(7)得到的镍基高温合金管材产品放置在低温环境箱中进行低温处理，处理温度90℃，处理时间40h；
(9)将步骤(8)低温处理后的镍基高温合金管材产品管材在室温中恢复到室温状态，然后再放置在低温环境箱中进行低温处理，处理温度90℃，处理时间40h，完成一次循环低温处理；
(10)将步骤(9)循环低温处理后的镍基高温合金管材产品进行氧化处理，处理温度600℃，处理时间2.5h。
(11)重复进行1次步骤(8)和步骤(9)，对步骤(10)氧化处理后的镍基高温合金管材产品进行循环低温处理，得到最终处理完成的镍基高温合金管材产品。
试验例1：
取实施例1步骤(4)得到的挤压管材，步骤(8)得到的经过一次低温处理的管材和步骤(9)得到的经过两次低温处理的管材采用电火花线切割机分别进行加工，加工出10×10×5mm的方块进行金相组织观察，利用蔡司光学显微镜拍摄到金相组织如图1所示。
从图1的结果可以看出，未低温处理的原始组织为等轴晶和大量的退火孪晶，低温处理一次的组织部分区域晶粒得到了细化，并且孪晶界也增多，低温处理两次的组织晶粒基本全部得到了细化，有效增加了晶界密度。
试验例2：
取实施例1步骤(7)尚未低温处理的管材和步骤(9)得到的经过两次低温处理的管材，在700℃下保温3h，进行高温氧化，利用扫描电子显微镜观察其氧化表面，试验结果如图2所示，并进行拉曼光谱分析，所得的拉曼峰图如图3所示。
从图2中可以观察到，未经低温处理的管材和经过两次低温处理的管材表面都生成了尖晶石氧化物(拉曼位移值为650-700cm-1范围内)，但是经过循环低温处理的管材表面尖晶石氧化物明显更加致密。
从图3中可以观察到，经过两次低温处理后的镍基高温合金管材表面尖晶石氧化物峰更强，也说明了生成了相对较多的氧化物。对经过两次低温处理和高温氧化后的镍基高温合金管材表面进行显微硬度测试，结果表明硬度值达到了320HV。
试验例3：
取步骤(7)尚未低温处理的管材和步骤(11)最终处理完成的镍基高温合金管材产品进行试验，利用高温摩擦磨损试验机在500℃条件下进行摩擦磨损试验(摩擦参数为：Si3N4摩擦副，20N，1m/s，15min)，结果如表1所示，摩擦形貌利用扫描电子显微镜观察，结果如图4所示。
表1摩擦磨损试验
| 平均摩擦系数 | 磨损率mm-3/(N·m) | |
| 未低温处理的管材 | 0.33 | 5.7×10-5 |
| 最终处理完成的镍基高温合金管材产品 | 0.24 | 4.1×10-5 |
从表1数据中可以看出，经过本发明方法处理后的镍基高温合金管材产品的平均摩擦系数和磨损率都有显著降低，图4所示的形貌特征中可以发现经过本发明方法处理后的镍基高温合金管材产品磨损表面相对平整，表面材料剥落较轻。试验结果表明，本发明的处理方法有效的提高了镍基高温合金的耐磨性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)循环低温处理：将镍基高温合金产品进行低温处理，处理结束后恢复到室温状态处理，然后再次进行低温处理，其中所述低温处理温度均为60-120℃，处理时间均为20-60h；
(2)氧化处理：将步骤(1)循环低温处理后的镍基高温合金产品进行氧化处理，其中所述氧化处理温度为500-700℃，处理时间为2.5-3.5h；
(3)再次循环低温处理：将步骤(2)氧化处理后的镍基高温合金产品再次进行循环低温处理，处理条件同步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述低温处理温度均为120℃，处理时间均为48h。
3.根据权利要求1所述的提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，步骤(2)中所述氧化处理温度为700℃，处理时间为3h。
4.根据权利要求1所述的提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，所述镍基高温合金产品的制备方法包括以下步骤：
(a)真空冶炼镍基高温合金铸锭；
(b)将步骤(a)冶炼好的镍基高温合金铸锭进行均匀化处理，消除低熔点相和有害相；
(c)将步骤(b)均匀化处理后的镍基高温合金铸锭进行热开坯处理，得到胚料；
(d)将步骤(c)得到的胚料进行真空退火处理；
(e)将步骤(d)真空退火处理后的胚料进行产品加工，得到镍基高温合金产品。
5.根据权利要求4所述的提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，所述镍基高温合金铸锭的气体含量：氧气≤80ppm，氮气≤80ppm，夹杂物＜2级。
6.根据权利要求4所述的提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，步骤(b)所述均匀化处理具体步骤包括：将所述镍基高温合金铸锭先在1100-1200℃保温处理8-12h，再在1200-1300℃保温处理40-50h。
7.根据权利要求4所述的提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，步骤(c)所述热开坯处理温度为1000-1300℃。
8.根据权利要求4所述的提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，步骤(d)所述真空退火处理方式具体包括：先加热至800-1000℃，再在真空下保温2-5h，最后冷却至室温。
9.根据权利要求1所述的提高镍基高温合金成品耐磨性能的高低温处理方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)所述循环低温处理中低温处理次数均不少于2次。
10.采用权利要求1-9任一项所述处理方法制得的镍基高温合金成品。
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